המודל מסביר מדוע נוצר יותר חשמל סטטי כאשר שני חומרים מצויים בחיכוך זה עם זה, לעומת "סתם" מגע ביניהם
נתחיל בהגדרה: חשמל סטטי הוא שם כולל לאוסף התופעות שהמקור להן הוא מטענים חשמליים סטטיים – כלומר, כאלה שאינם בתנועה. זאת בשונה מתופעות שאחראי להן זרם חשמלי – מטענים חשמליים שכן נמצאים בתנועה. תחושת ה"חשמוּל", ה"זצ" שיוצר חשמל סטטי, מתרחשת כשמצטברים מטענים חשמליים באזור מסוים בגוף, או בחפץ שקרוב אלינו. המטען החשמלי "קופץ" בינינו לבין החפץ, כך שנוצר איזון בין המטענים, וזה מה שגורם לתחושת הזרם שאנחנו מרגישים.
אף שהתופעה ודאי נצפתה מאז שבני האדם לבשו צמר, הדיון המדעי-פילוסופי בה החל כנראה ביוון העתיקה, לפני כ-2,500 שנה. ספרים ומאמרים רבים מייחסים את התצפיות הראשונות בתחום לפילוסוף הקדם-סוקרטי תָאלֵס איש מילֵטוֹס, אם כי אין לכך הוכחות ברורות. תאלס, כך מסופר, הבחין שכאשר משפשפים ענבר בפרווה או בצמר, נמשכים אליו נוצות ואבק – תופעה שקיבלה, עם הזמן, את השם חשמל סטטי – וטען שהסיבה לכך היא שלענבר יש נשמה (כפי שטען גם לגבי חלקיקים מגנטיים המושכים ברזל). מאז הוגדר החשמל הסטטי כמקרה פרטי של האפקט הטריבואלקטרי – מעבר של מטענים חשמליים בין שני גופים הנמצאים במגע זה עם זה. מקור המילה ביוונית עתיקה, מהמילים שפשוף (trivo, τρίβω) וענבר (ēlektron ,ἤλεκτρον) שבימי קדם נקרא אלקטרון ביוונית.
חשמל סטטי מוגדר כמקרה פרטי של האפקט הטריבואלקטרי – מעבר של מטענים חשמליים בין שני גופים הנמצאים במגע זה עם זה. בלונים נמשכים זה לזה או נדחים זה מזה כתלות במטענם החשמלי | KRPD, Shutterstock
מה בין חיכוך ובין מגע אחר
במאמר שפורסם בכתב העת המדעי Nano Letters, מציגים החוקרים קרל אולסון (Olson) ולורנס מרקס (Marks) מודל שמסביר מדוע נוצר יותר חשמל סטטי כאשר שני חומרים מצויים בחיכוך זה עם זה, לעומת "סתם" מגע ביניהם. לאורך ההיסטוריה הוצעו הסברים רבים לתופעה, אך הם לא הסבירו את ההבדל בין חיכוך לסוגים אחרים של מגע, כמו גלגול, או שלא עלו בקנה אחד עם תוצאות של ניסויים. לפי המודל שבמאמר, כאשר שני משטחים מתחככים זה בזה, אזורים שונים בהם נמתחים ומשנים את צורתם במידות שונות, והמטען החשמלי מצטבר באופן לא אחיד. ההבדל במתיחות בין החלק הקדמי לחלק האחורי של המשטח שובר את הסימטריה של החומר, ויוצר מטען חשמלי.
כדי להסביר את התופעה הזו, החוקרים מדגישים תכונה שנקראת "פלקסואלקטריות" (flexoelectricity), מצב שבו עיוות או מתיחה לא אחידים יוצרים קיטוב חשמלי – פיזור של מטענים חשמליים – בחומרים מסוימים. המודל שלהם מראה שהחיכוך מגביר את אפקט הקיטוב הזה, ומעלה מהותית את השפעת החשמל הסטטי, הרבה מעבר למה שקורה במגע פשוט או בגלגול. התחזיות של המודל תואמות ניסויים קודמים, ומראות שכמות המטען הסטטי עולה בהתאם למספר גורמים: מהירות החיכוך, גודל אזור המגע בין המשטחים, והכוח שהם מפעילים זה על זה.
חשמל סטטי משמש את האנושות בשלל תחומים, למשל מסייע לחרקים בהאבקה ומאפשר לייצר קרני רנטגן באמצעות סלוטייפ (סרטון). המחקר מעמיק את ההבנה שלנו בשאלה איך חיכוך יוצר חשמל סטטי, וייתכן שבעתיד אפשר יהיה להשתמש בו כדי לפתח מנועים הפועלים על חשמל סטטי, או להפחית הצטברות בלתי רצויה של חשמל סטטי בתעשיות שונות.
